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Astrophysique et astrochimie

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Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques 2013-2014 Chapitre 2: Processus chimiques (suite). Astrophysique et astrochimie. Plan du chapitre 2 (suite). L’importance des processus à la surface des grains de poussière Vue schématique d’un processus en surface

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Michaël De Becker

Masters en Sciences Chimiques

et Sciences Géologiques

2013-2014

Chapitre 2: Processus chimiques (suite)

Astrophysique et astrochimie
plan du chapitre 2 suite
Plan du chapitre 2 (suite)
  • L’importance des processus à la surface des grains de poussière
  • Vue schématique d’un processus en surface

- Accrétion

- Migration en surface

- Réaction

- Evaporation

  • La formation de l’hydrogène moléculaire
  • Réseaux chimiques à la surface des grains de poussière
chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re
Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière
  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

ISM diffus: 102 cm-3

nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

(… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

 cinétique insatisfaisante

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière
  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

ISM diffus: 102 cm-3

nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

(… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

 cinétique insatisfaisante

  • Filière parallèle pour produire des molécules?

Une catalyse est-elle envisageable?

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière
  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

ISM diffus: 102 cm-3

nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

(… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

 cinétique insatisfaisante

  • Filière parallèle pour produire des molécules?

Une catalyse est-elle envisageable?

 piste à envisager: catalyse hétérogène

 nécessite la présence de corps solides en abondance

suffisante

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière
  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

ISM diffus: 102 cm-3

nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

(… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

 cinétique insatisfaisante

  • Filière parallèle pour produire des molécules?

Une catalyse est-elle envisageable?

 piste à envisager: catalyse hétérogène

 nécessite la présence de corps solides en abondance

suffisante : poussières!!

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière
  • Poussières:

Taille: ~ 0,001 à ~ 1 m

Composition:

- très difficile à déterminer, pas de signature spécifique, uniquement des signatures génériques associées à certaines classes de composés

- essentiel de la masse : éléments de poids atomique supérieur ou égal à 12 (C, O, N, Si, Mg, Fe)

- graphite, silicates, “glaces sales”…

- couches externes éventuellement riches en molécules diverses

Structure:

Complexe, variable (lieu et temps…)

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface: vue schématique (2 approches)

  • Langmuir-Hinshelwood
    • Accretion
    • Migration
    • Réaction
    • Ejection
  • Eley-Rideal
    • Accretion - Réaction
    • Ejection
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface: vue schématique (2 approches)

  • Langmuir-Hinshelwood
    • Accretion
    • Migration
    • Réaction
    • Ejection
  • Eley-Rideal
    • Accretion - Réaction
    • Ejection
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Accretion:

Vitesse moyenne des particules

Facteur d’efficacité

Densité en nombre des poussières

Section efficace des grains

Physisorption: interactions de type van der Waals, ~ 0.1 eV

Chimisorption: interactions plus fortes, formation d’une liaison chimique, ~ quelques eV

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration:

- Surface du grain : multitude de sites potentiels de physisorption et de chimisorption.

- La migration consiste en un changement de site d’adsorption, nécessitant de franchir des barrières de potentiel plus ou moins hautes.

- La migration est d’autant plus probable que l’interaction est faible et que la température caractéristique du grain est grande

Barrière de migration

Temps caractéristique de migration

Température caractéristique du grain

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration:

- L’efficacité des processus en surface repose essentiellement sur la mobilité des partenaires réactionnels.

- Généralement, les espèces chimiques les plus lourdes sont moins mobiles.

- Franchir les barrières de

potentiel est envisgeable

selon deux approches:

“tunnelling” ou thermique

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration: C  C
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration: P  P
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration: C ↔ P
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction:

Migration vers un site occupé  interaction entre espèces chimiques

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction:

Migration vers un site occupé  interaction entre espèces chimiques

- sans Ea

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction:

Migration vers un site occupé  interaction entre espèces chimiques

- sans Ea

- avec Ea :

Réactions fortement inhibées

en phase gazeuse.

Le temps de résidence accru sur

la surface rend ces processus plus

efficaces.

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction: avec barrière d’activation

p : probabilité de réaction sur un site donné

po : probabilité de pénétration de la barrière d’activation

pm : probabilité de migration sur un site adjacent

Nombre de fois que le site est visité:

Probabilité de réaction à la kème visite:

Probabilité de réaction:

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction: avec barrière d’activation

p : probabilité de réaction sur un site donné

po : probabilité de pénétration de la barrière d’activation

pm : probabilité de migration sur un site adjacent

Nombre de fois que le site est visité:

Probabilité de réaction à la kème visite:

Probabilité de réaction:

Réaction favorisée par un long temps de résidence, une couverture superficielle de sites réactionnels élevée, et une probabilité de pénétration élevée.

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Evaporation:

Le temps de résidence peut être exprimé de la façon suivante:

Energie de liaison avec le grain de poussière

Facteur de fréquence vibvrationnelle ( f(m) )

Température caractéristique du grain

Facteurs favorisant un long temps de résidence:

  • masse élevée
  • température faible
  • énergie de liaison élevée
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

  • 2 types de site: P et C
  • flux de H en provenance de la phase gazeuse vers P uniquement
  • réaction immédiate si un H migre vers un site occupé
  • monocouche
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

  • 2 types de site: P et C
  • flux de H en provenance de la phase gazeuse vers P uniquement
  • réaction immédiate si un H migre vers un site occupé
  • monocouche
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

Taux de formation avec rétention en surface:

Taux de désorption total:

 : fraction d’hydrogène moléculaire qui reste adsorbé immédiatement après formation

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

Cas limite: basse température

- migration C  P inhibée  accumulation dans C

- processus le plus efficace pour former H2 : migration d’un H(P) mobile vers un H(C)

- hyp: état stationnaire  la couverture superficielle ne varie pas

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

Cas limite: basse température

- migration C  P inhibée  accumulation dans C

- processus le plus efficace pour former H2 : migration d’un H(P) mobile vers un H(C)

- hyp: état stationnaire  la couverture superficielle ne varie pas

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de physisorption

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de physisorption

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de chimisorption

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de chimisorption

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Produits résultant de ces processus:

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Produits résultant de ces processus:

Taux de formation de l’hydrogène moléculaire:

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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: hypothèses affectant les résultats

- seules H, D et les molécules formées de ces espèces sont considérées

  • en cas de taux d’accrétion élevé, l’hypothèse de la monocouche n’est plus valable
  • la photodissociation a été négligée
  • seul le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood a été considéré; celui d’Eley-Rideal pourrait devenir significatif en cas de couverture surfacique importante
  • quatre types de coefficients de diffusion ont été considérés; une représentation plus réaliste envisagerait une distribution de coefficients différents, tenant compte des propriétés variables des sites d’adsorption
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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Exemples de réseaux chimiques en surface:

Chimie du CO…

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